EP2455162A1 - Microfluidic element for analysing a fluid sample - Google Patents

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EP2455162A1
EP2455162A1 EP20100189383 EP10189383A EP2455162A1 EP 2455162 A1 EP2455162 A1 EP 2455162A1 EP 20100189383 EP20100189383 EP 20100189383 EP 10189383 A EP10189383 A EP 10189383A EP 2455162 A1 EP2455162 A1 EP 2455162A1
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EP
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Patent type
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channel
chamber
portion
valve portion
microfluidic element
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Withdrawn
Application number
EP20100189383
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Böhm
Susanne Würl
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F Hoffmann-La Roche AG
Roche Diagnostics GmbH
Original Assignee
F Hoffmann-La Roche AG
Roche Diagnostics GmbH
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Abstract

The microfluidic element has a substrate and a microfluidic pipe system enclosed by the substrate and a covering layer. The microfluidic pipe system has a channel structure. The channel structure has a channel (8,13) provided with two side walls and a chamber (11). The chamber has a chamber wall with an inlet opening.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe mit einem Substrat und einem von dem Substrat und einer Deckschicht umschlossenen mikrofluidischen Leitungssystems mit einer Kanalstruktur. The present invention relates to a microfluidic element for the analysis of a liquid sample with a substrate and a space enclosed by the substrate and a cover layer microfluidic conduit system with a channel structure. Die Kanalstruktur umfasst einen Kanal und eine mit dem Kanal in Fluidverbindung stehende Kammer. The channel structure comprises a channel and in fluid communication with the passage chamber. Die Flüssigkeit wird durch den Kanal in die Kammer geleitet, wobei der Flüssigkeitseintritt in die Kammer gezielt erfolgen soll. The liquid is passed through the channel into the chamber, wherein the liquid inlet is to take place in the chamber selectively.
  • Derartige mikrofluidische Elemente oder Testträger werden beispielsweise für biochemische Assays verwendet, bei denen in den Kammern Untersuchungen von Parametern der Flüssigkeit stattfinden. Such microfluidic elements or test carrier for example be used for biochemical assays, in which investigations take place of parameters of the liquid in the chambers. Derartige Tests werden in in-vitro-diagnostischen Systemen eingesetzt, beispielsweise für immunologische Untersuchungen. Such tests are used in in-vitro diagnostic systems, for example for immunological studies. Diese immunologischen Tests bedürfen oft einer mehrstufigen Reaktionsführung, so dass die Testprozedur in mehreren Teilschritten erfolgt. These immunological tests often require a multi-step reaction, so that the test procedure is carried out in several steps. Beispielsweise wird zunächst die zu untersuchende Probe in die Probenkammer eingebracht. For example, the sample to be examined is first introduced into the sample chamber. Sie wird dort mit immobilisierten, dh mit lokal in der Kammer fixierten, Fängermolekülen, in Kontakt gebracht, so dass die zu den Fängermolekülen komplementären Moleküle in der Probenflüssigkeit mit den Fängermolekülen reagieren können. It is there immobilized, ie, brought into contact with locally fixed in the chamber, capture molecules so that complementary to the capture molecules, the molecules in the sample liquid can react with the capture molecules. Diese Fängermoleküle können in Form von einzelnen Spots, aber auch als Mikroarray immobilisiert sein. These capture molecules can be immobilized in the form of individual spots, as well as a microarray. Ein Mikroarray ist dann von Vorteil, wenn verschiedene Probenparameter in einer Kammer nachgewiesen werden sollen. A microarray is advantageous if different sample parameters to be detected in a chamber. Nach der Reaktion der Probe mit den immobilisierten Fängermolekülen, die beispielsweise Antikörper sein können, erfolgt in einem weiteren Prozessschritt das Waschen der Probenkammer mit einer Waschflüssigkeit. After the reaction of the sample with the immobilized capture molecules, which may be antibodies, for example, takes place in a further process step, the washing of the sample chamber with a washing liquid. In einem nächsten Schritt wird eine Label-Flüssigkeit in die Kammer geleitet oder es werden Reagenzien zugeführt, so dass Nachweis-Antikörper zu den bereits gebundenen Molekülen gelangen können. In a next step, a label is introduced into the liquid chamber or reagents are supplied to it, so that detection antibody can reach the already bound molecules. Derartige Label können beispielsweise Fängerantikörper mit Fluoreszenzmarkern sein. Such labels can be, for example capture antibody with fluorescent markers. In einem weiteren Schritt erfolgt dann wieder ein Waschen der Kammer mit einer Waschflüssigkeit. In a further step, a washing chamber with a wash liquid then again takes place. Dieser Schritt wird beispielsweise für eine "Bound-Free-Separation" verwendet, um also freie und ungebundene Nachweis-Antikörper, beispielsweise mit einem fluoreszierenden Label gekoppelte Antikörper, zu entfernen. This step is used for example for a "bound-free separation" to thus free and unbound detection antibody, for example, coupled with a fluorescent label antibodies to remove. Damit die gesamten freien Label-Antikörper entfernt werden können, findet dieser Waschprozess häufig mehrfach hintereinander statt. So that the total free label antibodies can be removed, the washing process often takes place several times in succession. Nur so wird sichergestellt, dass alle freien Antikörper entfernt sind und nur die gebundenen Antikörper gemessen werden. Only in this way will ensure that all the free antibodies are removed and only the bound antibodies are measured.
  • Systembedingt ist es bei mikrofluidischen Elementen auf Grund des Platzmangels häufig nicht möglich, für jeden Prozessschritt einen separaten Kanal mit einem separaten Kapillarstop im Testträger oder auf dem mikrofluidischen Element zu integrieren. Depending on the system, it is at microfluidic elements due to the lack of space is often not possible to integrate a separate channel with a separate capillary in the test carrier or the microfluidic element, for each process step. Daher müssen die Kanäle und Ventile mehrfach hintereinander benutzt werden. Therefore, the channels and valves have to be used several times in succession. Um die Fluidströmung zu kontrollieren, werden beispielsweise geometrische Ventile als Kapillarstop verwendet. In order to control the flow of fluid, geometric valves are used, for example as a capillary stop. Ein kapillarer Flüssigkeitstransport wird durch die abrupte Querschnittsänderung gestoppt, bei der der kleine Kanal in die größere Kammer übergeht. A capillary liquid transport is stopped by the abrupt change in cross section, wherein the small channel merges into the larger chamber. Dieser Übergang bildet also ein Ventil. Thus, this transition forming a valve.
  • Die im Stand der Technik bekannten Ventile und Übergänge sind jedoch dazu ausgelegt, nur einmal benutzt zu werden. The known in the prior art valves and transitions, however, are designed to be used only once. Bei einer mehrfachen Benutzung können sie nicht zuverlässig und robust entlüftet werden, so dass ein gesteuerter Flüssigkeitstransport nicht zuverlässig gewährleistet werden kann. In a multiple use they may not be reliable, sturdy vented so that a controlled liquid transport can not be reliably ensured. Insbesondere bei Waschpuffern, die detergenzhaltige Lösungen umfassen, entsteht am Ventil häufig eine Seifenhaut, so dass eine Entlüftung des Ventils und des Kanals durch die Seifenhaut verhindert wird. In particular, in washing buffers include detergent-containing solutions produced at the valve often a soap skin so that a vent of the valve and the channel is prevented by the soap film. Darüber hinaus verbleibt systembedingt durch hohe Kapillarkräfte bzw. Adhäsion häufig Restflüssigkeit in den Kanten oder Ecken der Kanäle, so dass während der kapillaren Befüllung beispielsweise eines Hebers (S- oder U-förmig geformter Kanal zwischen zwei Kammern) Flüssigkeitsreste an dessen Ende verbleiben, welche beim Übergang in die nachfolgende Kammer, ineinanderfließen können und so die Luft während der nachfolgenden Befüllung nicht mehr entweichen kann. In addition, remaining system due to high capillary forces or adhesion often residual liquid in the edges or corners of the channels, so that remain during capillary filling, for example a jack (S- or U-shaped shaped channel between two chambers) residual liquid at the end of which at can transition into the subsequent chamber flow into each other, and so the air during the subsequent filling can no longer escape. Die Flüssigkeitsbefüllung stoppt und eine Überführung des Fluids in die nächste Kammer ist damit nicht mehr möglich, da das Prinzip der kommunizierenden Kanäle (Röhren) nicht mehr erfüllt ist. The liquid filling stop and a transfer of the fluid to the next chamber is no longer possible, since the principle of the communicating channels (tubes) is no longer satisfied. Diese Gefahr besteht insbesondere bei den verwendeten mikrofluidischen Kanälen, die eine Siphonstruktur aufweisen und mehrfach benutzt werden sollen. This danger exists particularly at the used microfluidic channels having a siphon structure and are intended to be used several times. Bei anderen Ventiltypen ist Restflüssigkeit in den Kanälen weniger kritisch, da hier kein kommunizierender Kanal für die Funktion der Kanalstruktur vorausgesetzt wird. For other types of valves residual liquid is less critical in the channels, since there is no communicating channel for the function of the channel structure is provided. Das Problem besteht prinzipiell überall, wo Kanalstrecken kapillar befüllt werden müssen. The problem is basically everywhere duct sections must be filled by capillary action.
  • Im Stand der Technik sind unterschiedliche Lösungsansätze bekannt, um ein Ventil zu schaffen, das mehrfach benutzt werden kann. In the prior art different approaches are known to provide a valve that can be used multiple times. Beispielsweise wird in For example, in US 2007/0134799 A1 US 2007/0134799 A1 und in and in US 6,395,553 B1 US 6,395,553 B1 ein mikrofluidisches Ventil vorgeschlagen, bei dem eine federbelastete Stahlkugel einen Auslass verschließt. proposed a microfluidic valve in which a spring-loaded steel ball closes an outlet. Ein derartiges, in der Herstellung teures und aufwändiges Ventil wird in mikrofluidischen Testassays verwendet, wenn keine siphonartige Struktur der Kanäle eingesetzt werden kann. Such, costly to manufacture and time-consuming valve is used in microfluidic test assays when no siphon structure of the channels can be used. Zum Transport der Flüssigkeiten ist es notwendig, dass das Ventil am Kammerauslass geöffnet wird. For the transport of liquids, it is necessary that the valve is opened at the chamber outlet. Dies geschieht in der Regel durch Erzeugen einer Zentrifugalkraft, so dass die Verwendung dieses Ventils auf rotierende Testträger beschränkt ist. This is generally done by generating a centrifugal force so that the use of this valve is limited to rotating test carrier.
  • Beim Start der Rotation wird die Kugel innerhalb des Ventils radial nach außen gedrückt und gibt die Öffnung frei, so dass das Fluid durch das Ventil strömen kann. At the start of the rotation, the ball is pressed radially outward within the valve and releases the opening so that the fluid can flow through the valve. Wird eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit unterschritten, so reduziert sich die Zentrifugalkraft, und die Federkraft der auf die Kugel wirkenden Feder überwiegt und verschließt das Ventil. Is a predetermined rotational speed is undershot, then the centrifugal force reduced, and outweigh the spring force of the spring acting on the ball and closes the valve. Neben der Federkraft muss zum Öffnen des Ventils auch die Reibung der Ventilkugel überwunden werden. In addition to the spring force to open the valve, the friction of the valve ball must be overcome.
  • Die zur Steuerung der Flüssigkeit notwendigen Kräfte werden auch in anderen Kapillarstrukturen häufig durch Zentrifugalkräfte erzeugt. The necessary for controlling the fluid forces are often produced in other capillary structures by centrifugal forces. Es sind aber auch andere Mittel zur Steuerung der Flüssigkeiten bekannt, die beispielsweise in but there are also known other means for controlling liquids, for example, in DE 10 2005 048 260 A1 DE 10 2005 048 260 A1 zusammengefasst sind. are summarized. Eine Möglichkeit der Steuerung der Fluide in rotierenden Testträgern ist die Verwendung eines Siphonkanals zwischen zwei Kammern, wobei durch eine geeignete Anordnung des Einlasses des Siphonkanals und des Auslasses in radialer Richtung eine gewünschte Fluidsteuerung erzielt wird. A possibility of controlling the fluids in rotating test carriers is the use of a Siphonkanals between two chambers, whereby a desired fluid control is achieved by a suitable arrangement of the inlet and outlet of the Siphonkanals in the radial direction. Ein derartiges Konzept verfolgen auch beispielsweise die Such an approach also track such as the WO 95/33986 A1 WO 95/33986 A1 , . WO 95/06870 A1 WO 95/06870 A1 , . WO 93/19827 A1 WO 93/19827 A1 oder die or US 5,160,702 B1 US 5,160,702 B1 . ,
  • Trotz der im Stand der Technik vorgenommenen Bemühungen, die mikrofluidischen Strukturen im Hinblick auf biochemische Assays zu verbessern, treten immer wieder Probleme mit der Entlüftung der einzelnen Kanäle, insbesondere der Siphonkanäle auf. Despite the modification in the prior art efforts to improve the microfluidic structures with regard to biochemical assays, particularly the Siphonkanäle occur always problems with the ventilation of the individual channels on. Diese Probleme häufen sich bei mehrfacher Benutzung eines Kanals durch verschiedene Flüssigkeiten und insbesondere bei Siphonkanälen, deren Breite relativ gering ist und im Bereich kleiner ca. 0,4 mm liegt. These problems accumulate with repeated use of a channel by various liquids and particularly in Siphonkanälen whose width is relatively small and less in the range about 0.4 mm.
  • Aus dem Stand der Technik ergibt sich somit die Aufgabe, ein mikrofluidisches Element mit einer mikrofluidischen Kanalstruktur zu schaffen, bei dem zum einen eine zuverlässige Steuerung von Flüssigkeiten innerhalb der Kanalstruktur auch bei Mehrfachbenutzung erfolgt, zum anderen eine Entlüftung bei mehrfacher Benutzung zuverlässig gewährleistet ist. From the prior art, thus, the object is to provide a microfluidic element having a microfluidic channel structure in which, for a carried reliable control of fluids within the channel structure, even when multiple use, on the other hand a ventilation in case of multiple use is reliably ensured results. Daneben soll ein derartiges Element preiswert in der Herstellung sein. In addition, should be inexpensive to manufacture such an element.
  • Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein mikrofluidisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The present object is achieved by a microfluidic element having the features of claim 1.
  • Erfindungsgemäß umfasst das mikrofluidische Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe, insbesondere für mehrstufig durchgeführte biochemische Analyseprozesse, ein Substrat und ein von dem Substrat und einer Deckschicht umschlossenes mikrofluidisches Leitungssystem. According to the invention, the microfluidic element comprises for the analysis of a liquid sample, in particular for multi-stage carried out biochemical analysis processes, a substrate and a enclosed by the substrate and a cover layer microfluidic conduit system. Das Leitungssystem umfasst wenigstens eine Kanalstruktur mit einem Kanal, der zwei Seitenwände hat, und mit einer Kammer, die mit dem Kanal in Fluidverbindung steht. The conduit system comprises at least one channel structure having a channel having two side walls, and with a chamber which communicates with the channel in fluid communication. Der Kanal weist einen Kanalabschnitt und einen sich an den Kanalabschnitt anschließenden Ventilabschnitt auf, der in die Kammer der Kanalstruktur mündet. The channel has a channel portion and a channel portion adjoining the valve portion opens into the chamber of the channel structure. Die Kammer hat eine Kammerwand mit einer Einlassöffnung, mit der der Ventilabschnitt derart in Fluidverbindung steht, dass eine Flüssigkeit aus dem Kanal durch den Ventilabschnitt und die Einlassöffnung in die Kammer strömen kann. The chamber has a chamber wall with an inlet opening with which the valve portion is in fluid communication such that a liquid can flow into the chamber from the channel through the valve portion and the inlet port. Erfindungsgemäß hat der Ventilabschnitt einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Flüssigkeitstransportquerschnitt. According to the invention, the valve portion has a which increases in the flow direction of fluid transport cross-section. Dieser Flüssigkeitstransportquerschnitt ist größer als der Flüssigkeitstransportquerschnitt in dem vorhergehenden Kanalabschnitt. This fluid transport cross-section is larger than the liquid transport section in the preceding channel portion. Am Übergang von Kanalabschnitt zu Ventilabschnitt sind die Querschnitte bevorzugt gleich, wobei der Querschnitt des Ventilabschnitts an der Einlassöffnung der Kammer größer ist als am Übergang zum Kanalabschnitt. At the transition from channel portion to the valve portion of the cross-sections are preferably the same, wherein the cross section of the valve portion at the inlet opening of the chamber is greater than the transition to the channel portion. Als Flüssigkeitstransportquerschnitt wird der Querschnitt des Kanals der Kanalstruktur verstanden, der von der zu transportierenden Flüssigkeit senkrecht durchströmt wird. As fluid transport cross-section, the cross section of the channel of the channel structure is meant through which flows vertically from the transported fluid. Bei einem im Querschnitt kreisförmig ausgebildeten Kanal ist der Flüssigkeitstransportquerschnitt gleich der von dem Radius des Kanals aufgespannten Fläche. With a circular shaped cross-section channel of the fluid transport cross-section is equal to the plane defined by the radius of the channel surface. Bei einem rechteckförmigen Kanal wird der Flüssigkeitstransportquerschnitt durch die von der Höhe und der Breite des Kanals aufgespannt Fläche gebildet. For a rectangular channel of the fluid transport cross-section is formed by the spanned by the height and the width of the channel surface.
  • Ein derartiger Kanal mit einem sich im Ventilabschnitt vergrößernden Flüssigkeitstransportquerschnitt bietet den Vorteil, dass Flüssigkeitsreste aus dem Ventil so entleert werden, dass der Kanal zuverlässig entlüftet werden kann und hierdurch eine Mehrfachnutzung des Kanals möglich wird. Such a channel with an enlarging portion in the valve fluid transport cross-section offers the advantage that residues of liquid are discharged from the valve so that the channel can reliably be vented, and thereby a multiple use of the channel is possible. Insbesondere bei den mehrstufigen Analyseprozessen, bei denen detergenzhaltige Waschpufferlösungen eingesetzt werden, die zu einer sogenannten Seifenhautbildung am Ventil neigen, wird durch die Vergrößerung der Querschnittsfläche zur Kammer hin ein Verschließen des Kapillarkanals durch eine Seifenhaut vermieden und eine sichere Entlüftung auch bei Mehrfachbefüllung des Kanals gewährleistet. In particular, the multistage analysis processes are where detergent-containing wash buffer solutions used, are prone to so-called soap skin formation on the valve, a closing of the capillary is by increasing the cross-sectional area toward the chamber avoided by a soap film and ensures a safe venting even with multiple filling of the channel. Es wurde erkannt, dass grundsätzlich die Bildung einer Seifenhaut auch dadurch vermieden werden könnte, dass der Querschnitt der Kapillare deutlich vergrößert wird. It has been recognized that in principle the formation of a soap film could also be avoided, that the cross section of the capillary is significantly increased. Allerdings würde eine deutliche Querschnittsvergrößerung dazu führen, dass die Füllzeiten der heberförmigen Kapillare auf Grund der geringen Kapillarkraft sehr lange wären, die in einem derart großen Kapillare wirkt. However, a significant increase in cross section would lead to the filling times of the lift-shaped capillary would be very long due to the low capillary force which acts in such a large capillary. Darüber hinaus würde der Kanal ein größeres "Todvolumen" aufweisen, da mehr Flüssigkeit in dem Kanal verbleibt. In addition, the channel would have a larger "dead volume", as more liquid remains in the channel. Dies steht jedoch dem Wunsch nach möglichst kleinen Probenmengen entgegen. However, that is contrary to the desire for the smallest possible sample quantities. Eine Befüllung von großen Kapillaren weist zudem den Nachteil auf, dass sich Luftblasen innerhalb solcher Kanäle leichter ausbilden. A filling of large capillaries also has the disadvantage that air bubbles form within such channels easily.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die technische Umsetzung mit der obigen Kanalstruktur und einem sich aufweitenden Ventilabschnitt am Übergang zur nachfolgenden Kammer eingesetzt werden kann, um den Verbleib von Restflüssigkeit am Ende der Kapillare im Wesentlichen zu verhindern. In the invention, it was recognized that the technical implementation of the above channel structure and a widening valve portion at the transition to the subsequent chamber can be used to prevent the retention of residual liquid at the end of the capillary substantially. Generell besteht bei Kanalstrukturen, bei denen zwei Kammern mit einem Kapillarkanal verbunden sind, das Problem, dass am Ende von Kapillarkanälen, insbesondere von heberförmigen oder siphonartigen Kapillaren, Restflüssigkeiten verbleiben können. Generally it is at channel structures in which two chambers are connected with a capillary channel, the problem that at the end of capillary, in particular lift-shaped siphon or capillaries may remain remaining liquid. Die Restflüssigkeit kann in einer unvollständigen Entleerung oder in einem Zusammenfließen von Flüssigkeit begründet sein, die durch Adhäsion an der Kapillarwand haften bleibt. The residual liquid can be due to an incomplete emptying or in a co-flow of liquid, which sticks by adhesion to the capillary wall. Beim Entleervorgang nimmt der Druck auf die Flüssigkeitssäule in dem Teil der heberförmigen Kapillare (Heber), der in die nächste Kammer übergeht, ab. When emptying the pressure on the liquid column in the part of the lift-shaped capillary (lifter) which merges into the next chamber decreases. Ist die Vorlagekammer (erste Kammer in Strömungsrichtung) leer und befindet sich noch Restflüssigkeit in der an die Vorlagekammer anschließenden Heberkapillare, so wird ein kritischer Punkt erreicht. If the reception chamber (first chamber in the flow direction) is empty and is still remaining fluid in the subsequent to the reception chamber Heberkapillare, a critical point is reached. Im Idealfall würde der Flüssigkeitsrest auch noch vollständig bis in die nächste Kammer entleert. Ideally, the liquid drained rest would still completely up in the next chamber. Dies ist bei bekannten mikrofluidischen Elementen jedoch nicht immer der Fall. However, this is not always the case with known microfluidic elements.
  • Es wurde erkannt, dass die Güte der Restentleerung bei einem gegebenen Druck, entscheidend von der Gestaltung des Übergangs des Kanals in die nächste Kammer abhängt. It has been recognized that the quality of the emptying at a given pressure, crucially depends on the design of the transition of the passage into the next chamber. Existieren hier Kanten und Stellen mit abrupten Oberflächenaufweitungen, wie es bei einem normalen Heberübergang zur nachfolgenden Kammer der Fall ist, ist ein gewisses Energieniveau notwendig, damit die Flüssigkeit diese Übergangs-Stelle (Sprungstelle) passieren kann. Exist here edges and points with abrupt surface widenings, as is the case with a normal siphon transition to the subsequent chamber, a certain energy level is necessary so that the liquid this transition point can (jump point) to pass. Dies ist so lange unkritisch, wie sich in der Vorlagenkammer noch ausreichend Flüssigkeit befindet. This is not critical as long as it is still in the original chamber sufficiently liquid. Nimmt der Druck gegen Ende der Entleerung ab, so wird die Flüssigkeitssäule am Übergang labil und reißt mehr oder weniger reproduzierbar ab. When the pressure from the end of emptying, the fluid column at the transition is unstable and breaks more or less from reproducible. Diese Restflüssigkeit wird dann kapillar im Heber festgehalten und ist sehr schwer zu entfernen, da durch die reduzierte "Mini"-Flüssigkeitssäule nur ein sehr geringer Druck aufgebaut werden kann. This residual liquid is then held by capillary action in the siphon and is very difficult to remove because only a very small pressure can be built by the reduced "Mini" -Flüssigkeitssäule. Eine Neubefüllung des Hebers ist aufgrund fehlender Entlüftungsmöglichkeit unmöglich. A refilling of the jack is impossible due to lack of ventilation possibility. Durch die erfindungsgemäße Aufweitung des Kanals verbleibt jedoch keine Restflüssigkeit in der Kanalstruktur, insbesondere nicht im geweiteten Ventilabschnitt. The inventive expansion of the channel, however, leaving no residual liquid in the channel structure, especially in the expanded valve portion. Abrupte räumliche Übergänge werden vermieden. Abrupt spatial transitions are avoided.
  • Dieser erfindungsgemäße Kapillarkanal mit aufgeweitetem Ventilabschnitt eliminiert also die Probleme im Stand der Technik und verhindert zuverlässig die Bildung oder Stabilisierung von Seifenhaut und den Verbleib von Restflüssigkeit in der Kapillare und somit ein Verschließen des Kapillarkanals. This invention capillary-flared valve portion thus eliminates the problems in the prior art and reliably prevents the formation or stabilization of soap skin and the retention of residual liquid in the capillary and thus a sealing of the capillary channel. Zusätzlich kann optional der Kapillarkanal so gestaltet werden, dass einerseits Kanten und Stellen mit abrupten Oberflächenaufweitungen vermieden werden (zB durch Verrundung) und optional die Kapillare in der Nähe einer nachfolgenden Kammerwand platziert wird. In addition, the capillary channel may be designed so that on the one hand edges and points are avoided with abrupt surface widenings (eg, by rounding), and optionally the capillary in the vicinity of a subsequent chamber wall is placed optional.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventilabschnitts weist den weiteren Vorteil auf, dass die gesamte Kanalstruktur nach wie vor in bekannter Spritzgusstechnik hergestellt werden kann. The embodiment of the valve portion according to the invention has the further advantage that the entire channel structure can be still produced in a known injection molding technique. Es müssen keine zusätzlichen externen Elemente eingesetzt werden, was zum einen die Materialkosten gering hält und zum anderen den Herstellungsprozess kostengünstig macht. It must be used, no additional external elements, which on the one hand holds the material cost is low and on the other makes the manufacturing process cost-effective. Im Vergleich zu den bekannten federbelasteten Ventilen mit einer Verschlusskugel ergibt sich durch die einfache geometrische Gestaltung ein großer Kostenvorteil in der Herstellung. Compared to the known spring-loaded valves with a check ball is a large cost advantage in producing results from the simple geometric design.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Aufweitung des Flüssigkeitstransportquerschnitts dadurch erfolgen, dass die Seitenwände in dem Ventilabschnitt nicht parallel verlaufen, sondern sich zur Einlassöffnung der Kammer hin aufweiten. In a preferred embodiment, the expansion of the fluid transport cross-section may occur in that the side walls are not parallel in the valve section, but widen towards the inlet opening of the chamber. Der Abstand der Ventilabschnitt-Seitenwände an der Einlassöffnung der Kammer ist somit größer als ihr Abstand am Übergang von Ventilabschnitt und Kanalabschnitt. The distance between the valve portion side walls at the inlet opening of the chamber is thus greater than their spacing at the transition from the valve portion and channel portion. Bevorzugt weitet sich der Ventilabschnitt in Strömungsrichtung der Flüssigkeit kontinuierlich auf. Preferably, the valve portion widens continuously in the direction of flow of the liquid. Besonders bevorzugt ist eine stetige Aufweitung. Particularly preferred is a steady expansion. Prinzipiell ist auch eine treppenartige Aufweitung möglich, solange die sprungförmigen Querschnittsänderungen nicht so groß sind, dass eine derartige Änderung als Kapillarstop wirkt. In principle, a stair-like expansion is possible, as long as the abrupt cross-sectional changes are not so large that such a change acts as a capillary stop.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Ventilabschnitt eine konstante Höhe aufweisen. In a preferred embodiment, the valve portion may have a constant height. Die Aufweitung des Flüssigkeitstransportquerschnitts wird dann ausschließlich durch die Vergrößerung des Abstands der Seitenwände verwirklicht. The expansion of the fluid transport cross-section is then carried out exclusively by the increase in the distance of the side walls. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Vergrößerung des Flüssigkeitstransportquerschnitts durch eine Vergrößerung der Höhe erfolgen, indem sich die Höhe in dem Ventilabschnitt zur Einlassöffnung der Kammer hin vergrößert. Alternatively, or additionally, the expansion of the fluid transport cross-section can be done by increasing the height by the height increases in the valve portion to the inlet port of the chamber.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass vorzugsweise der Abstand der Ventilabschnitt-Seitenwände an der Einlassöffnung der Kammer wenigstens doppelt so groß ist wie der Abstand der Ventilabschnitt-Seitenwände am Übergang zum Kanalabschnitt. In the present invention it has been recognized that, preferably, the distance of the valve portion side walls at the inlet opening of the chamber is at least twice as large as the distance of the valve portion side walls at the transition to the channel portion. Bevorzugt ist der Abstand der Seitenwände an der Einlassöffnung wenigstens dreimal so groß, besonders bevorzugt wenigstens viermal so groß wie der Abstand der Seitenwände am Kanalabschnitt. Preferably, the distance of the side walls at the inlet opening is at least three times as great, more preferably at least four times as large as the distance between the side walls of the channel section. Alternativ oder zusätzlich kann sich die Höhe in gleichem Maß verändern. Alternatively or additionally, the amount may change to the same extent.
  • Da die Kammer im Vergleich zum Ventilabschnitt eine deutlich größere Breite und Höhe aufweist, arbeitet der Ventilabschnitt zuverlässig als Kapillarstop, so dass kapillar strömende Flüssigkeit an der Einlassöffnung der Kammer gestoppt wird. As the chamber has a much greater width and height as compared to the valve portion, the valve portion operates reliably as a capillary, so that liquid flowing capillary is stopped at the inlet port of the chamber. Die Höhe der Kammer ist vorzugsweise wenigstens doppelt so groß wie die Höhe des Kanals. The height of the chamber is preferably at least twice as great as the height of the channel. Solange auf eine in den Kanal einströmende Flüssigkeit lediglich Kapillarkräfte wirken, füllen sich der Kanalabschnitt und der Ventilabschnitt des Kapillarkanals mit Flüssigkeit. As long as only act on a liquid flowing in the channel capillary, the channel portion and the valve portion of the capillary channel filled with liquid. Die Flüssigkeit bleibt in dem Kanal stehen und strömt nicht selbsttätig in die sich anschließende Kammer ein. The liquid remains in the channel and does not flow automatically into the subsequent chamber. Erst das zusätzliche Einwirken einer Kraft lässt die Flüssigkeit in die Kammer strömen. Only the additional action of a force can flow into the chamber the liquid. Eine geeignete (externe) Kraft kann zum Beispiel durch eine externe Pumpe erzeugt werden oder die Zentrifugalkraft sein, die durch Rotation des mikrofluidischen Elements erzeugt wird. A suitable (external) force can be generated for example by an external pump or the centrifugal force generated by rotation of the microfluidic element. Durch eine geeignete Geometrie des Ventilabschnitts wird bei rotierenden fluidischen Elementen die Durchbruchsfrequenz des Ventilabschnitts eingestellt. By a suitable geometry of the valve portion, the breakdown rate of the valve portion is set in rotating fluidic elements. Die Durchbruchfrequenz ist die Frequenz, bei der der Kapillarstop die Flüssigkeit nicht mehr zurückhält, sondern das Ventil öffnet. The breakdown frequency is the frequency at which the capillary no longer retains the liquid, but the valve opens. Sobald die Durchbruchfrequenz überschritten wird, entleert sich der Kapillarkanal. Once the breakdown rate is exceeded, the capillary emptied. Flüssigkeit strömt aus dem Kanal in die Kammer. Liquid flows from the channel into the chamber. Bei nicht rotierenden Systemen ist die externe Kraft entsprechend einzustellen. For non-rotating systems, the external force is to be adjusted accordingly.
  • Die Aufweitung des Ventilabschnitts zur Einlassöffnung der Kammer hin stellt sicher, dass auch der letzte Flüssigkeitsrest aus dem Kanal strömt. The widening of the valve portion to the inlet port of the chamber ensures that even the last residue of liquid flows from the channel. Bevorzugt wird das Ausströmen des Flüssigkeitsrests dadurch unterstützt, dass die Einlassöffnung in der Kammerwand nahe einer Kammerseitenwand angeordnet ist. the outflow of the liquid residue is preferably supported by the fact that the inlet opening is arranged in the chamber wall by the chamber sidewall. Der Ventilabschnitt ist bevorzugt so anzuordnen, dass eine der Ventilabschnittseitenwände nahe der Kammerseitenwand auf die Kammerwand trifft. The valve portion is preferable to arrange so that the valve section side walls meet near the chamber side wall on the chamber wall. Der Austritt der Restflüssigkeit aus dem Kanal wird unterstützt, da die Seitenwand die Flüssigkeitsreste durch Adhäsionskräfte bzw. die schon an die Seitenwand geflossene Flüssigkeit durch Kohäsionskräfte die Restflüssigkeit in die Kammer hineinzieht. The withdrawal of the residual liquid from the channel is supported, since the side wall, the residual liquid draws the residual liquid by adhesion or the already flowed to the sidewall liquid by cohesive forces in the chamber. Eine sich in dem Ventilabschnitt ausbildende Seifenhaut wird ebenfalls durch die benachbarte Seitenwand "angezogen", so dass sich die Seifenhaut nicht stabilisieren kann und derart aufgeweitet wird, dass sie zerstört wird. One that forms in the valve portion soap film is also "drawn" by the adjacent side wall, so that the soap can not stabilize skin and is expanded such that it is destroyed. Der Abstand der Ventilabschnitt-Seitenwand zu der Kammerseitenwand beträgt vorteilhafterweise höchstens der doppelten Breite des Kanalabschnitts. The distance between the valve portion side wall to the chamber side wall is advantageously at most to twice the width of the channel portion. Vorzugsweise ist ihr Abstand höchstens gleich der Breite des Kanalabschnitts, sehr bevorzugt höchstens der halben Breite oder einem Viertel der Breite des Kanalabschnitts. Preferably, their distance is at most equal to the width of the channel section, very preferably not more than the half-width or quarter-width of the channel portion.
  • In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung des mikrofluidischen Elements ist in dem Ventilabschnitt zwischen den beiden Ventilabschnitt-Seitenwänden ein Steg derart angeordnet, dass zwei nebeneinander angeordnete Ventilabschnitt-Teilkanäle gebildet werden. In an alternative preferred embodiment of the microfluidic element in the valve portion between the two valve portion side walls, a web is arranged such that two adjacently arranged valve-stage partial channels are formed. Bevorzugt sind die Teilkanäle unterschiedlich groß. Preferably, the sub-channels are different. Der Steg ist bevorzugt so auszubilden, dass die Flüssigkeitstransportquerschnitte der beiden Teilkanäle im Bereich der Einlassöffnung in die Kammer in Summe größer sind als der Flüssigkeitstransportquerschnitt im Kanalabschnitt. The web is preferable to form so that the liquid transport sections of the two sub-channels in the chamber in sum are greater than in the region of the inlet opening of the fluid transport cross-section in the channel section. In einer besonderen Ausführungsform sind die Flüssigkeitstransportquerschnitte der beiden Teilkanäle in Summe wenigstens doppelt so groß wie der Flüssigkeitstransportquerschnitt im Kanalabschnitt. In a particular embodiment, the fluid transport cross-sections of the two channels in total are at least twice as large as the fluid transport cross section in the channel section. Beispielsweise kann der Querschnitt jedes Teilkanals so groß sein wie der Querschnitt des Kanalabschnitts. For example, the cross section of each sub-channel may be as large as the cross section of the channel portion. Bevorzugt weitet sich (zusätzlich) wenigstens einer der beiden Teilkanäle zur Kammer hin auf. Preferably expands (in addition) at least one of the two sub-channels to the chamber on. Der Steg wird vorzugsweise durch ein sich zur Kammer hin vergrößerndes Teilstück aus dem Substrat des mikrofluidischen Elements gebildet. The web is preferably formed by a magnifying itself towards the chamber portion from the substrate of the microfluidic element.
  • Bevorzugt schließen die beiden Teilkanäle einen Winkel von wenigstens 40 Grad zueinander ein. Preferably, the two partial channels form an angle of at least 40 degrees to each other. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Winkel zwischen den beiden Teilkanälen wenigstens 50 Grad, besonders bevorzugt wenigstens 60 Grad aufweist. It has proved advantageous if the angle between the two sub-channels at least 50 degrees, particularly preferably at least 60 degrees. Unter strömungsfluidischen Aspekten ist es vorteilhaft, wenn der eine Ventilabschnitt-Teilkanal mit dem Kanalabschnitt im Wesentlichen fluchtet. Under strömungsfluidischen aspects it is advantageous if the valve portion is aligned a sub-channel with the channel portion substantially. Dieser Teilkanal wird Haupt-Teilkanal genannt. This subchannel is called main sub-channel. Seine Breite entspricht bevorzugt im Wesentlichen der Breite des Kanalabschnitts des Kanals. Its width preferably corresponds substantially to the width of the channel portion of the channel. Der zweite Teilkanal weitet sich in Strömungsrichtung auf. The second part channel widens in the flow direction.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten besonderen Ausführungsformen näher erläutert. The invention is explained in more detail below based on illustrated in FIGS particular embodiments. Die dort dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. The special features illustrated therein can be used individually or in combination to create preferred embodiments of the invention. Die beschriebenen Ausführungen stellen keine Einschränkung der durch die Ansprüche in ihrer Allgemeinheit definierten Erfindung dar. Die beispielhafte Beschreibung erfolgt für ein rotierendes mikrofluidisches Element und einem rotierenden Testträger. The embodiments described do not limit defined by the claims in its generality the present invention. The exemplary description is made for a rotating element and a rotating microfluidic test carrier.
  • Selbstverständlich können die bevorzugten Ausgestaltungen auch bei nicht rotierenden Testträgern eingesetzt werden. Of course, the preferred embodiments can also be used in non-rotating test carriers. Es zeigen: Show it:
  • Figur 1 Figure 1
    ein mikrofluidisches Element mit einer Leitungsstruktur, a microfluidic element having a line structure,
    Figur 2 Figure 2
    eine Skizze eines Zentrifugalgeräts mit einem Testträger, a sketch of a Zentrifugalgeräts with a test carrier,
    Figur 3 Figure 3
    einen Ausschnitt des Leitungssystems aus a section of the pipe system from Figur 1 Figure 1 mit einer Kanalstruktur, with a channel structure,
    Figur 4a, b Figure 4a, b
    je einen Ausschnitt der Kanalstruktur mit einem Kanal und einem Ventilabschnitt, each a section of the channel structure with a channel and a valve portion,
    Figur 5 Figure 5
    einen weiteren Ausschnitt der Kanalstruktur mit einem Kanal und einer Kammer, a further section of the channel structure with a channel and a chamber,
    Figur 6 Figure 6
    einen Querschnitt durch den Ausschnitt der Kanalstruktur aus a cross section through the section of the channel structure from Figur 5 Figure 5 , .
    Figur 7 Figure 7
    eine alternative Ausführungsform einer Kanalstruktur mit einem Ventilabschnitt, an alternative embodiment of a channel structure with a valve portion,
    Figur 8 Figure 8
    eine Detailansicht des Ventilabschnitts aus a detail view of the valve portion of Figur 7 Figure 7 , .
    Figur 9 Figure 9
    eine Detailansicht des Ventilabschnitts aus a detail view of the valve portion of Fig. 8 Fig. 8 . ,
  • Fig. 1 Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Elements 1 für die In-Vitro-Diagnostik mit einem Leitungssystem 2. Das Leitungssystem 2 ist von einem Substrat 34 des mikrofluidischen Elements 1 und einer nicht dargestellten Deckschicht umschlossen. shows an embodiment of a microfluidic element 1 for the in vitro diagnostics with a duct system 2. The management system 2 is enclosed by a substrate 34 of the microfluidic element 1 and a top layer, not shown. Das Substrat 34 besteht beispielsweise aus Kunststoffmaterial wie COC (Cyclo-Olephin-Copolymer), PMMA (Polymethylmethacrylat), Polycarbonat oder Polystyrol. The substrate 34 consists for example of plastic material such as COC (Cyclo-Olephin copolymer), PMMA (polymethyl methacrylate), polycarbonate or polystyrene. In dem gezeigten Beispiel ist das mikrofluidische Element 1 als rotierender Testträger 3, beispielsweise in Form einer Rotationsscheibe ausgebildet. In the example shown, the microfluidic element 1 as a rotating test carrier 3, for example in the form of a rotary disc is formed.
  • Der Testträger 3 wird beispielsweise in einer in The test carrier 3 is for example in an in Fig. 2 Fig. 2 gezeigten Zentrifugalvorrichtung 4 gehalten und rotiert um eine Rotationsachse 5. Die Zentrifugalvorrichtung 4 weist eine Halterung 6 auf, die den Testträger 3 hält und die am Ende einer drehbar gelagerten Rotationswelle 5a angeordnet ist. Centrifugal device 4 shown held and rotates about an axis of rotation 5. The centrifugal device 4 comprises a holder 6, which holds the test carrier 3 and which is arranged at the end of a rotatably supported rotation shaft 5a. Die Rotationswelle 5a ist konzentrisch zu der Rotationsachse 5 angeordnet. The rotational shaft 5 is arranged concentrically to the rotation axis. 5 In der hier gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Rotationsachse 5 durch den Mittelpunkt des Testträgers 3. Selbstverständlich sind andere Ausführungen des mikrofluidischen Elements 1 möglich, bei dem sich die Rotationsachse nicht durch den Mittelpunkt des Elements 1 oder nicht durch das Element 1 erstreckt. In the embodiment shown here, the rotation axis 5 extends through the center of the test carrier 3. Of course, other embodiments of the microfluidic element 1 are possible in which the rotation axis does not extend through the center of the element 1 or not by the element. 1
  • Die Ausbildung des mikrofluidischen Elements 1 als rotierender Testträger 3 ist eine mögliche Ausführungsform, um eine externe Kraft zur Steuerung einer Flüssigkeit in dem Leitungssystem 2 zu erzeugen. The formation of the microfluidic element 1 as a rotating test carrier 3 is a possible embodiment, to produce an external force for controlling a fluid in the conduit system. 2 Anstelle der Zentrifugalkraft können beispielsweise auch extern erzeugte Druckkräfte verwendet werden. Instead of the centrifugal pressure forces also externally generated can be used, for example.
  • Das hier gezeigte mikrofluidische Element 1 dient zur Blutuntersuchung. The microfluidic element 1 shown here is used for blood test. Dabei werden mehrere Prozessschritte hintereinander durchgeführt, wobei Teile oder Bereiche des Leitungssystems 2 im Prozessablauf mehrmals verwendet werden. Several process steps are carried out successively, with parts or areas of the line system 2 are used in the process flow several times. Eine Trocknung der Kanäle des Leitungssystems 2 zwischen den Prozessschritten ist nicht möglich, so dass das mikrofluidische Element 1 und das darin enthaltene Leitungssystem 2 sicherstellen müssen, dass auch bei einer Mehrfachbefüllung einzelner Kanäle des Leitungssystems 2 ein sicherer Prozessablauf möglich ist und insbesondere keine unerwünschten Lufteinschlüsse durch Zurückbleiben von Restflüssigkeit entstehen. Drying of the channels of the pipe system 2 between the process steps is not possible, so that the microfluidic element 1 and the line system contained therein must ensure 2 that even with a multiple filling of individual channels of the pipe system 2 is a safer process flow is possible and in particular no undesired air inclusions by retention of residual liquid arise.
  • Das Leitungssystem 2 umfasst mehrere Kanalstrukturen 7, die jeweils wenigstens einen Kanal 8 und eine Kammer 9 umfassen. The pipe system 2 comprises a plurality of channel structures 7, each comprising at least one channel and a chamber 8. 9 Eine der Kanalstrukturen 7, die mehrfach benutzt wird, umfasst eine als Waste-Kammer 12 ausgebildete Kammer 11 und einen Kanal 13, der sich zwischen einer Messkammer 10 zur Untersuchung der Probenflüssigkeit und der Waste-Kammer 12 erstreckt. One of the channel structures 7, which is used several times, comprises a formed as a waste chamber 12, chamber 11 and a channel 13 that extends between a measuring chamber 10 for the investigation of the sample liquid and the waste chamber 12th Die Waste-Kammer 12 dient als Abfallreservoir für überschüssige oder nicht mehr benötigte Flüssigkeit. The waste chamber 12 serves as a waste reservoir for excess or unwanted fluid.
  • Fig. 3 Fig. 3 und and 4a 4a , . 4b 4b zeigen einen Ausschnitt des Leitungssystems 2 aus show a section of the line system 2 from Fig. 1 Fig. 1 mit zwei Kanalstrukturen 7a, 7b. with two channel structures 7a, 7b. Die hier beschriebenen Ausführungen beschränken sich nicht auf rotierende Testträger, sondern können in allen Testträgern mit Leitungssystemen verwendet werden, in denen mikrofluidische Kanäle mehrfach befüllt werden. The embodiments described herein are not limited to rotating test carrier, but can be used in all test carriers with cable systems in which microfluidic channels are filled several times. Die Kanalstruktur 7a umfasst eine Sammelkammer 15 und eine Messkammer 10 sowie einen zwischen Sammelkammer 15 und Messkammer 10 angeordneten fluidischen Kanal 8 mit einer siphonartigen Form. The channel structure 7a includes a collection chamber 15 and a measuring chamber 10 and a disposed between the collecting chamber 15 and measuring chamber 10 fluidic channel 8 with a siphon-like form. Ein derartiger Kanal wird als Heber bezeichnet. Such a channel is called a jack. Die Kanalstruktur 7b schließt die Messkammer 10, den siphonförmigen Kanal 13 sowie die Waste-Kammer 12 ein, die nur teilweise gezeigt ist. The channel structure 7b includes the measuring chamber 10, the siphon-shaped duct 13, and the waste chamber 12, which is only partially shown. Sie enthält in einer speziellen Ausführungsform ein Vlies 14, das die in die Kammer einströmende Flüssigkeit aufsaugt. in a specific embodiment, it contains a nonwoven web 14 that absorbs the incoming liquid into the chamber. In der Messkammer 10 erfolgen die notwendigen Reaktionen zur Analyse einer Probenflüssigkeit. In the measuring chamber 10, the necessary reactions for analysis of a sample liquid carried out. Sie kann beispielsweise Mikroarrays mit immobilisierten Antikörpern umfassen. It can include, for example, microarrays with immobilized antibodies. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind beispielsweise Entlüftungsöffnungen in den Kammern nicht gezeigt. For clarity, vents, for example, not shown in the chambers.
  • Eine Kanalstruktur 7, 7a, 7b schließt hier also immer eine erste Kammer und eine zweite Kammer sowie einen die Kammern verbindenden Kanal (Kapillarkanal) ein. A channel structure 7, 7a, 7b always includes here therefore a first chamber and a second chamber and a channel connecting the chambers (capillary) a. Bevorzugt ist der Kanal einer derartigen Kanalstruktur siphonartig geformt, also ein so genannter Heber. the channel of such a channel structure is preferably formed of a siphon, that is a so-called jack.
  • Teil der Kapillarstruktur 7a ist eine Zwischenventilkammer 16, die sich an den Kanal 8 anschließt. Part of the capillary 7 is an intermediate valve chamber 16 which adjoins the channel. 8 Die The Figuren 4a 4a , . 4b 4b zeigen Detailansichten der Zwischenventilkammer 16 und des Kanals 8, wobei show detail views of the intermediate valve chamber 16 and the channel 8, wherein Figur 4b 4b eine isometrische Ansicht darstellt. represents an isometric view. Diese Zwischenventilkammer 16 stellt ein geometrisches Ventil dar, das einen Kapillarstop 17 bildet, so dass in dem Kanal 8 durch die Kapillarwirkung transportierte Flüssigkeit vor der Zwischenventilkammer 16 zum Stillstand kommt. This intermediate valve chamber 16 is a geometric valve which forms a capillary stop 17, so that in the channel 8 by capillary action transported liquid before the intermediate valve chamber 16 stops. Der Kanal 8 wird dabei durch die ausgeübte Kapillarkraft in Strömungsrichtung (Pfeil S) gefüllt. The channel 8 is thereby filled by the capillary force exerted in the direction of flow (arrow S).
  • Bei Rotation des fluidischen Elements 1 in Richtung des Pfeils R wird eine Flüssigkeit radial nach außen verdrängt, im vorliegenden Fall in Richtung des Pfeils r. Upon rotation of the fluidic element 1 in the direction of arrow R, a liquid is displaced radially outwardly, in the present case in the direction of arrow r. Sobald die Rotationsfrequenz oberhalb der Durchbruchsfrequenz liegt, das mikrofluidische Element 1 also schnell genug rotiert, öffnet der Kapillarstop 17 und Flüssigkeit kann aus dem Kanal 8 in die Messkammer 10 einströmen. As soon as the rotation frequency is above the breakdown frequency, the microfluidic element 1 rotates so fast enough, the capillary stop 17 opens and fluid can flow out of the channel 8 in the measuring chamber 10 degrees. Die Zwischenventilkammer 16 weist eine Kammerwand 20 mit einer Einlassöffnung 21 auf, durch die Flüssigkeit aus dem Kanal 8 in die Zwischenventilkammer 16 strömt. The intermediate valve chamber 16 has a chamber wall 20 having an inlet port 21, flows through the liquid from the channel 8 into the intermediate valve chamber sixteenth
  • Der Kanal 8 umfasst einen Kanalabschnitt 18 und einen sich in Strömungsrichtung anschließenden Ventilabschnitt 19. Der Ventilabschnitt 19 weist erfindungsgemäß einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Flüssigkeitstransportquerschnitt auf. The channel 8 comprises a channel section 18 and a 19 located in the flow direction subsequent valve portion of the valve portion 19 according to the invention has an enlarging in flow direction of fluid transport cross-section. Der Flüssigkeitstransportquerschnitt des Ventilabschnitts 19 ist an der Einlassöffnung 21 größer als der Flüssigkeitstransportquerschnitt an dem Übergang vom Kanalabschnitt 18 zum Ventilabschnitt 19. The fluid transport cross-section of the valve portion 19 is greater than the fluid transport cross-section at the transition from the channel portion 18 toward the valve section 19 at the inlet opening 21st
  • Die Seitenwände 22 des Kanals 8 verlaufen im Kanalabschnitt 18 vorzugsweise parallel zueinander. The side walls 22 of the channel 8 run in the channel section 18 is preferably parallel to each other. Im Ventilabschnitt 19 sind die Seitenwände (Ventilabschnitt-Seitenwände 26) bevorzugt nicht parallel, so dass eine Aufweitung der Kanalbreite erfolgt. In the valve portion 19 of the side walls (valve portion side walls 26) are not preferred in parallel, so that a widening of the channel width. Die Höhe h in dem Ventilabschnitt 19 ist konstant, so dass der Kanal 8 insgesamt eine konstante Höhe aufweist. The height h in the valve portion 19 is constant, so that the channel 8 has an overall constant height. Als Höhe wird dabei die Dimension in Richtung Flächennormale des mikrofluidischen Elements 1 verstanden. while the dimension in the direction of the surface normal of the microfluidic element 1 is understood as height.
  • In der hier gezeigten Ausführung ist die Breite des Ventilabschnitts 19 an der Einlassöffnung 21 (Abstand der Seitenwände 22) dreimal so groß wie die Breite des Kanals 8 am Übergang 23 vom Kanalabschnitt 18 zum Ventilabschnitt 19. In the embodiment shown here, the width of the valve portion 19 at the inlet opening 21 (distance between the side walls 22) three times as large as the width of the channel 8 at the junction 23 of the channel portion 18 to the valve portion 19th
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Länge I des Ventilabschnitts 19 bevorzugt wenigstens dreimal so groß ist wie der Abstand der Seitenwände 22 am Kanalabschnitt 18, bevorzugt dreimal so groß ist wie der Abstand der Seitenwände 22 am Übergang 23 vom Kanalabschnitt 18 zum Ventilabschnitt 19. Besonders bevorzugt hat sich eine Länge I des Ventilabschnitts 19 erwiesen, die wenigstens dem Fünffachen des Abstands der Seitenwände 22 am Übergang 23 entspricht. In the present invention it has been recognized that the length I of the valve portion 19 preferably at least three times as large as the distance of the side walls 22 at the channel section 18, preferably three times as large as the distance of the side walls 22 at the transition 23 from the channel section 18 to the valve portion 19 . More preferably, a length I of the valve portion 19 has been shown, corresponding to at least five times the distance of the side walls 22 at the junction 23. Bei einer Länge, die dem Siebenfachen des Abstands der Seitenwände 22 entspricht, haben sich besonders gute Eigenschaften des Ventilabschnitts ergeben. At a length corresponding to seven times the distance between the side walls 22, particularly good properties of the valve portion have shown.
  • Bei einem Ventilabschnitt 19, dessen Länge höchstens dem Zehnfachen des Abstands der Seitenwände 22 am Übergang 23 entspricht, werden der Kanal 8 und die Sammelkammer 15 zuverlässig geleert, ohne dass eine Restflüssigkeit in der Kanalstruktur 7a verbleibt. For a valve portion 19, the length of which corresponds at most to ten times the distance between the side walls 22 at the transition 23, the channel 8 and the collection chamber 15 can be reliably emptied without any residue liquid in the channel structure 7a remains. Bei der Verwendung einer Waschpufferlösung wird eine Bildung von Seifenhäuten am Ausgang des Ventilabschnitts 19 zuverlässig verhindert, so dass eine Belüftung des Kanals 8 gegeben ist. When using a wash buffer solution, a formation of soap films is reliably prevented at the output of the valve portion 19 so that a vent of the channel is given. 8
  • Die vollständige Entleerung des Kanals 8 einschließlich Ventilabschnitt 19 und Kanalabschnitt 18 wird bevorzugt dadurch weiter verbessert, dass der Ventilabschnitt 19 unsymmetrisch an der Kammerwand 20 der Zwischenventilkammer 16 angeordnet ist. The complete emptying of the channel 8, including the valve portion 19 and channel portion 18 is preferably further improved in that the valve portion 19 is arranged asymmetrically to the chamber wall 20 of the intermediate valve chamber sixteenth Eine der Seitenwände 22 ist näher an einer sich an die Kammerwand 20 anschließende Kammerseitenwand 25 angeordnet. One of the sidewalls 22 is disposed closer to an adjoining the chamber wall 20 of chamber sidewall 25th Die Kammerseitenwand 25 schließt mit der Kammerwand bevorzugt einen Winkel von wenigstens 80 bis 170 Grad ein, hier einen Winkel von 90 Grad. The chamber side wall 25 closes with the chamber wall preferably has an angle of at least 80 to 170 degrees, where an angle of 90 degrees. Bevorzugt ist eine der Ventilabschnitt-Seitenwände 26 so in der Nähe der Kammerseitenwand 25 angeordnet, dass der Abstand 27 zwischen ihr und der Kammerseitenwand 25 höchstens gleich der Breite des Kanalabschnitts 18, bevorzugt des Abstands der Seitenwände 22 am Übergang 23 ist. Preferably one of the valve portion side walls 26 is disposed in the vicinity of the chamber side wall 25 so that the distance 27 between it and the chamber side wall is at most equal to the width of the channel portion 18, preferably the distance of the side walls 22 at the junction 23 is 25th Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine möglichst nahe Anordnung einer der Ventilabschnitt-Seitenwände 26 an der Kammerseitenwand 25 vorteilhaft für die Restentleerung ist. In the present invention it has been recognized that a close as possible arrangement of the valve portion side walls 26 is advantageous for the emptying of the chamber side wall 25th Beispielsweise kann der Abstand 27 höchstens der halben Breite des Kanals 8 am Übergang 23, bevorzugt höchstens einem Drittel dieser Breite entsprechen. For example, the distance 27 at the transition 23, preferably at most one third of this width corresponding at most to half the width of the channel. 8
  • Bevorzugt wird der Abstand 27 zwischen der Ventilabschnitt-Seitenwand 26 und der Kammerseitenwand 25 bis zur Verrundung 29 der Kammerwand 20 gerechnet. the distance is preferably calculated 27 between the valve portion side wall 26 and the chamber side wall 25 to the fillet 29 of the chamber wall 20th Dieser Abstand 27 soll bevorzugt maximal ein Drittel der Breite des Kanals 8 am Übergang 23 sein. This distance 27 should be preferably a maximum of one third of the width of the channel 8 at the junction 23rd Bei einer Kanalbreite von 0,2 mm ergibt sich für den Abstand 27 eine maximale Ausdehnung von 0,06 mm. When a channel width of 0.2 mm to a maximum dimension of 0.06 mm is obtained for the distance 27th
  • Durch Wahl der entsprechenden Drehrichtung (Pfeil R) kann bewirkt werden, dass während der Rotation auftretende Corioliskräfte und während der Beschleunigung auftretende Eulerkräfte, welche der Rotationsrichtung entgegengesetzt sind, die Flüssigkeitsprobe beim Transport von Ventilabschnitt 19 zu Kammer 16 an deren nahe liegende Wand 25 gedrückt wird. By selecting the appropriate direction of rotation (arrow R) can be caused during the rotation occurring Coriolis forces and during acceleration occurring Euler forces which are opposite to the direction of rotation, the liquid sample in the transport of valve section 19 to chamber 16 is pressed against their obvious wall 25 , Insbesondere diese Tatsache bewirkt eine komplette Restentleerung von Ventil 19 und eine damit sichergestellte Wiederbefüllbarkeit des Kanals 18. In particular, this fact causes a complete emptying of valve 19 and thus made safe refillability of the channel eighteenth
  • Die Kanalstruktur 7b aus The channel structure 7b Figur 3 Figure 3 , die den Kanal 13 und die Waste-Kammer 12 mit einer nicht gezeigten Lüftungsöffnung umfasst, ist ebenfalls als Siphonstruktur ausgebildet und erfüllt eine Heberfunktion zur Steuerung des Flüssigkeitstransports. Comprising the channel 13 and the waste chamber 12 with an unshown air vent is also formed as a siphon and fulfills a jack function to control the liquid transport. Die The Figuren 5 figures 5 und and 6 6 zeigen einen Detailausschnitt des Kanals 13 mit dem Kanalabschnitt 18 und dem Ventilabschnitt 19. Der trompetenförmige Ventilabschnitt 19 weitet sich in Strömungsrichtung auf. show a detailed section of the channel 13 with the channel portion 18 and the valve portion 19. The trumpet-shaped valve section 19 widens in the flow direction. Sein Flüssigkeitstransportquerschnitt ist an der Einlassöffnung 21 in der Kammerwand 20 größer als am Übergang 23. Der Ventilabschnitt 19 ist bei dieser Ausführungsform nicht an einer Kammerseitenwand 25 der Waste-Kammer 12 angeordnet. Be fluid transport cross-section is greater than 23 at the transition section 19. The valve at the inlet opening 21 in the chamber wall 20 is not disposed in this embodiment on a chamber side wall 25 of the waste chamber 12th Um die vollständige Entleerung des Kanals 13 zu gewährleisten, weist hier die Waste-Kammer 12 eine Rampe 30 auf, die am Boden 31 der Waste-Kammer 12 angeordnet ist und sich von der Einlassöffnung 21 an der Kammerwand 20 weg erstreckt. In order to ensure the complete emptying of the channel 13, in this case 12, the waste chamber to a ramp 30, which is arranged on the bottom 31 of the waste chamber 12 and extends from the inlet port 21 to the chamber wall 20 away. Dabei verringert sich die Höhe 36 der Rampe 30 mit wachsender Entfernung von der Kammerwand 20. Die Oberseite 32 der Rampe 30 schließt bündig an den Boden 33 des Ventilabschnitts 19 an, so dass ein stetiger Übergang gebildet wird, wie in Here, the height 36 of the ramp 20, 30 is reduced with increasing distance from the chamber wall The top surface 32 of the ramp 30 is flush against the bottom 33 of the valve portion 19, so that a continuous transition is formed, as in Fig. 5 Fig. 5 und dem in and in Fig. 6 Fig. 6 gezeigten Schnitt AA aus Section AA from shown Fig. 5 Fig. 5 gezeigt ist. is shown. Die Rampe 30 ist ebenfalls in Spritzgusstechnik in dem Substrat 34 des mikrofluidischen Elements 1 bzw. Testträgers 3 realisiert. The ramp 30 is also realized by injection molding in the substrate 34 of the microfluidic element 1 or the test carrier. 3 Ihre Herstellung ist deshalb mit keinen weiteren Kosten verbunden. Their production is therefore associated with no additional costs.
  • Durch den stetigen Übergang des Bodens von dem Ventilabschnitt 19 über die Rampe 30 in die Waste-Kammer 12, wird die Entleerung des Ventilabschnitts 19 und des Kanals 8 ebenso verbessert, wie die Anordnung des Ventilabschnitts 19 nahe einer Kammerseitenwand 25 bei der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform, Due to the continuous transition of the bottom of the valve portion 19 over the ramp 30 into the waste chamber 12, the emptying of the valve portion 19 and the channel 8 is also improved, embodiment, as the arrangement of the valve portion 19 near a chamber side wall 25 in the previously described, Fig. 4a FIG. 4a , b. B.
  • Bevorzugt ist die Rampe 30 so ausgebildet, dass ihre Oberseite 32 plan ist. Preferably, the ramp 30 is formed so that its top surface 32 is flat. Alternativ ist sie gekrümmt. Alternatively, it is curved. Der vom Boden 33 des Ventilabschnitts 19 und der Oberseite 32 der Rampe 30 gebildete "tangentiale" Übergang (Verrundung 35) ist bevorzugt verrundet mit einem Rundungsradius in Z-Richtung (vgl. The formed from the bottom 33 of the valve portion 19 and the upper surface 32 of the ramp 30 "tangential" transition (rounding 35) is preferably rounded with a radius of curvature in the Z direction (see FIG. Fig. 6 Fig. 6 ), der bevorzugt zwischen 1,25 mm und 2,25 mm liegt. ), Which is preferably between 1.25 mm and 2.25 mm. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Radius der Verrundung 35 1,75 mm. In the present example, the radius of rounding is 35 mm 1.75.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilabschnitt 19 derart ausgebildet, dass die Ventilabschnitt-Seitenwände 26 wenigstens abschnittsweise gerade verlaufen. In a preferred embodiment, the valve portion 19 is formed such that the valve portion side walls 26 at least partially straight. Am Ende des Ventilabschnitts 19 zur Einlassöffnung 21 hin hat sich bei praktischen Untersuchungen eine Verrundung 37 im Übergang zur Kammerwand 20 als vorteilhaft erwiesen. At the end of the valve portion 19 to the inlet port 21 toward a fillet 37 has been found to be advantageous in the transition from the chamber wall 20 in practical tests. Die Verrundung 37 in XY-Richtung weist bevorzugt einen Rundungsradius zwischen 0,5 mm und 1 mm auf, in der gezeigten Ausführungsform beträgt er 0,65 mm. The rounding 37 in the XY direction preferably has a radius of curvature between 0.5 mm and 1 mm, in the illustrated embodiment, it is 0.65 mm.
  • Vorteilhaft ist eine Rampe 30, deren Breite 38 größer als die Breite b der Einlassöffnung 21 ist. is advantageously a ramp 30, 38 whose width is greater than the width b of the inlet port 21st Bevorzugt ist die Rampe wenigstens 10 % bis 50 % breiter als die Einlassöffnung 21; the ramp is preferably at least 10% to 50% wider than the inlet opening 21; besonders bevorzugt ist sie doppelt so breit. more preferably it is twice as wide. Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass eine Rampe 30 mit einer Breite 38, die dreimal so groß ist wie die Breite b der Einlassöffnung 21, sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen hat. In the present invention it has been found that a ramp 30 having a width 38 which is three times as large as the width b of the inlet port 21, has also proven to be advantageous. Allerdings sollte die Breite der Rampe 30 höchstens fünfmal so groß sein wie die Breite b der Einlassöffnung 21 (ohne Verrundung 37). However, the width of the ramp 30 should be at most five times as large as the width b of the inlet port 21 (without rounding 37). Da die Rampe 30 die Einlassöffnung 21 seitlich überlappt, ist eine seitliche Verrundung der Rampe nicht notwendig. Since the ramp 30, the inlet port 21 overlaps the side, a lateral rounding of the ramp is not necessary. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Seiten der Rampe 30 einen abrupten Übergang zum Kammerboden 31 der Waste-Kammer 12 bilden. It has proved advantageous that the sides of the ramp 30 forming an abrupt transition to the bottom of the chamber 31 of the waste chamber 12th Auf diese Weise wird ein Rückfließen von Flüssigkeit aus der Waste-Kammer 12 in den Ventilabschnitt 19 verhindert. In this manner, a back flow of liquid from the waste chamber 12 is prevented in the valve portion 19th
  • Durch Verwendung der Rampe 30 in der Waste-Kammer 12 wird ebenfalls eine sich im Ventilabschnitt 19 bildende Seifenhaut "in die Kammer hineingezogen", so dass die Seifenhaut zerstört wird. By using the ramp 30 in the waste chamber 12 is also an emerging in the valve portion 19 soap skin "drawn into the chamber", so that the soap film is destroyed. Flüssigkeitsreste aus dem Kanal 13 werden durch Kohäsionskräfte über die Rampe 30 abgeleitet. The liquid residues from the channel 13 are derived by cohesive forces over the ramp 30th
  • Fig. 7 Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt aus dem Leitungssystem 2 des mikrofluidischen Elements 1 mit einer alternativen erfindungsgemäßen Kanalstruktur 7. Sie umfasst einen Kanal 13 und eine Waste-Kammer 12 mit einem optionalen Vlies 14. Die Waste-Kammer 12 hat an ihrem Ende einen Entlüftungskanal 50 mit einer Entlüftungsöffnung 51, durch die Luft aus der Waste-Kammer 12 und der Kanalstruktur 7 entweichen kann. shows a section of the line system 2 of the microfluidic element 1 with an alternative inventive channel structure 7. It comprises a channel 13 and a waste chamber 12 with an optional web 14. The waste chamber 12 has at its end a venting channel 50 with a vent 51, can escape through the air from the waste chamber 12 and the channel structure. 7 Der Kanal 13 umfasst einen Kanalabschnitt 18 und einen sich daran anschließenden Ventilabschnitt 19, der mit der Waste-Kammer 12 einen Kapillarstop bildet. The channel 13 includes a channel portion 18 and an adjoining valve portion 19, which forms a capillary chamber with the waste-12th Flüssigkeit kann erst in die Waste-Kammer 12 einfließen, wenn der Kapillarstop überwunden wird. Liquid can only flow into the waste chamber 12 when the capillary is overcome.
  • Der Ventilabschnitt 19 weist bevorzugt zwischen den beiden Ventilabschnitt-Seitenwänden 26 einen Steg 40 derart auf, dass zwei nebeneinander angeordnete Ventilabschnittteilkanäle 41, 42 gebildet werden. The valve portion 19 preferably between the two valve portion side walls 26 has a web 40 such that two adjacently arranged valve portion sub-channels 41 are formed 42nd Auch bei diesem Teilabschnitt 42 des Ventilabschnitts 19 erfolgt eine Aufweitung des Flüssigkeitstransportquerschnitts in Strömungsrichtung S, Also, in this section 42 of the valve portion 19 is an expansion of the fluid transport cross-section in the flow direction S is carried out, Fig. 7 Fig. 7 , . 8 8th . ,
  • Vorzugsweise bildet der erste Ventilabschnitt-Teilkanal 41 einen Haupt-Teilkanal 43 ist und der zweite Ventilabschnitt-Teilkanal 42 einen Bypass-Teilkanal 44. Die beiden Teilkanäle 41, 42 schließen hier einen Winkel von 65 Grad ein. Preferably, the first valve portion sub-channel 41 forms a main part of duct 43 and the second valve portion sub-channel 42 a bypass channel portion 44. The two sub-channels 41, 42 here include an angle of 65 degrees.
  • Der Haupt-Teilkanal 43 fluchtet mit dem Kanalabschnitt 18 wie in den The main sub-channel 43 is aligned with the channel portion 18 as in the Fig. 8 Fig. 8 , . 9 9 dargestellt. shown. Fig. 9 Fig. 9 zeigt eine isometrische Ansicht des Ventilabschnitts. shows an isometric view of the valve portion. Die Breite und Höhe des Haupt-Teilkanals 43 entsprechen denen des Kanalabschnitts 18. Die Seitenwände des Haupt-Teilkanals 43 sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. The width and height of the main part of duct 43 correspond to those of the channel portion 18. The side walls of the main part of duct 43 are preferably arranged parallel to one another. Seine Höhe ist bevorzugt zwischen 0,14 mm und 0,2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,15 mm bis 0,18 mm. Its height is preferably between 0.14 mm and 0.2 mm, more preferably between 0.15 mm to 0.18 mm. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Höhe des Haupt-Teilkanals 43 gleich 0,15 mm; In the example shown here, the height of the main sub-channel 43 is equal to 0.15 mm; seine Breite beträgt 0,2 mm. its width is 0.2 mm.
  • Der Bypass-Teilkanal 44 ist bevorzugt breiter als der Haupt-Teilkanal 43. Bevorzugt weitet sich der Bypass-Teilkanal 44 von der Verzweigungsstelle 45 zu einer Bypass-Einlassöffnung 46 in der Kammerwand 20 der Waste-Kammer 12 auf. The bypass channel portion 44 is preferably wider than the main part of channel 43. Preferably, widens the bypass channel portion 44 of the branch point 45 to a bypass inlet port 46 in the chamber wall 20 of the waste chamber 12. Der Flüssigkeitstransportquerschnitt des Bypass-Teilkanals 44 vergrößert sich folglich in Strömungsrichtung. The fluid transport cross-section of the bypass channel portion 44 increases, consequently, in the flow direction. Die Breite des Bypass-Teilkanals 44 an der Verzweigungsstelle 45 beträgt im vorliegenden Beispiel 0,38 mm, während seine Breite (parallel zur Ventilabschnitt-Seitenwand 26) an der Bypass-Einlassöffnung 46 0,6 mm beträgt. The width of the bypass portion of channel 44 at the branch point 45 is 0.38 mm in the present example, while its width at the bypass inlet port is (parallel to the valve portion side wall 26) 46 0.6 mm. Die Höhe des Bypass-Teilkanals 44 (in Z-Richtung) soll an der Bypass-Einlassöffnung 46 zwischen 0,24 bis 0,3 mm betragen, bevorzugt zwischen 0,25 bis 0,28 mm. The height of the bypass channel portion 44 (in Z-direction) should be on the bypass inlet port 46 between 0.24 to 0.3 mm, preferably from 0.25 to 0.28 mm. In der gezeigten Ausführungsform ist die Höhe 0,25 mm. In the illustrated embodiment, the height is 0.25 mm. Die Höhe der Waste-Kammer 12 beträgt im gezeigten Beispiel 1,4 mm. The amount of the waste chamber 12 is 1.4 mm in the example shown.
  • Die Höhe des Bypass-Teilkanals 44 ist an der Kammerwand 20 bevorzugt größer als die Höhe des Haupt-Teilkanals 43 an der Kammerwand 20 ( The height of the bypass channel portion 44 is preferably greater than the height of the main part of duct 43 to the chamber wall 20 (on the chamber wall 20 Fig. 9 Fig. 9 ). ). Vorzugsweise sind, wie hier gezeigt, die Höhen der beiden Teilkanäle 41, 42 an der Verzweigungsstelle 45 gleich. the heights of the two sub-channels 41, 42 at the branch point 45 are preferably, as shown here, the same.
  • In einer Ausführungsform ( In one embodiment ( Fig. 7 bis 9 Fig. 7 to 9 ) des Ventilabschnitts 19 trifft der Haupt-Teilkanal 43 in einem Winkel auf die Kammerwand 20 der Waste-Kammer 12, der von 90 Grad verschieden ist. ) Of the valve portion 19 meets the main part of duct 43 at an angle to the chamber wall 20 of the waste chamber 12, which is different from 90 degrees. Bevorzugt ist der Haupt-Teilkanal 43 rechtwinklig zu der Kammerwand 20 angeordnet. Preferably, the main sub-channel 43 is arranged at right angles to the chamber wall 20th
  • Den The Fig. 7 Fig. 7 , . 8 8th ist zu entnehmen, dass der Ventilabschnitt 19 mit Steg 40 unter Ausbildung eines Bypass-Teilkanals 44 bevorzugt derart an der Kammer 12 angeordnet ist, dass der Bypass-Teilkanal 44 näher an der Kammerseitenwand 25 angeordnet ist als der Haupt-Teilkanal 43. Durch die räumliche Nähe des Bypass-Teilkanals 44 zu der Kammerseitenwand 25 werden die gleichen Effekte erzielt, wie bei dem trompetenförmigen Ventilabschnitt. it can be seen that the valve portion 19 is arranged with web 40 to form a bypass section channel 44 is preferably such to the chamber 12 such that the bypass section channel 44 is positioned closer to the chamber side wall 25 as the main part of channel 43. Due to the spatial close the bypass channel portion 44 to the chamber side wall 25, the same effects are achieved as in the trumpet-shaped portion valve. Auch hierdurch wird ein Abriss der Flüssigkeitssäule während der Entleerung verhindert und die Restentleerung zuverlässig gewährleistet. Also thereby an outline of the liquid column during discharge is prevented and reliably ensures the emptying.
  • In der Kanalstruktur 7a ( In the channel structure 7a ( Fig. 3 Fig. 3 ) ist der Ventilabschnitt 19 trompetenförmig in Strömungsrichtung der Flüssigkeit aufgeweitet. ) 19 is trumpet-shaped widened portion of the valve in the direction of flow of the liquid. Die der Drehrichtung R entgegen gerichtete Seitenwand 26 (rechte Seitenwand) des Ventilabschnitts 19 ist der Kammerseitenwand 25 angenähert. The direction of rotation R opposing side wall 26 (right side wall) of the valve portion 19 of the chamber sidewall 25 is approximated. Da das mikrofluidische Element 1 im Uhrzeigersinn gedreht wird (Pfeil R), wird beim Beschleunigen des Elements 1 die in dem Kanal 8 enthaltene Flüssigkeit an die rechte Seitenwand 22 des Kanals 8 gedrückt. Since the microfluidic element 1 is rotated clockwise (arrow R) is pressed during the acceleration of the element 1, the liquid contained in the channel 8 on the right side wall 22 of the channel. 8 Diese Seitenwand 22, 26 ist der Kammerseitenwand 25 angenähert, wodurch die Entleerung des Kanals 8 durch die während der Rotation auftretende Corioliskraft und während der Beschleunigung auftretende Eulerkraft unterstützt und optimiert wird. This side wall 22, 26 of the chamber sidewall 25 is approximated, whereby the emptying of the channel 8 through the Coriolis force occurring during rotation and during acceleration occurring Euler force is supported and optimized. Eine Entlüftung und somit ein Wiederbefüllen des Kanals 8 ist zuverlässig gewährleistet. A vent and thus refilling of the channel 8 is reliably ensured.
  • Im Gegensatz dazu ist bei der Ausführungsform des Ventilabschnitts 19 mit Bypass gemäß In contrast, according to the embodiment of the valve portion 19 with bypass Fig. 7 Fig. 7 , . 8 8th , . 9 9 der Bypass-Teilkanal 44 der Kammerseitenwand 25 angenähert. the bypass channel portion 44 of the chamber side wall 25 approximately. Hier erfolgt eine Rotation im Gegenuhrzeigersinn. Here the rotation is counterclockwise. Durch die während der Rotation auftretende Corioliskraft und während der Beschleunigung auftretende Eulerkraft wird in diesem Falle die Flüssigkeit an die der Ventilabschnittsteilkapillare 42 naheliegende linke Wand 25 der Kammer 11 gedrückt und eine Entleerung des Bypass-Teilkanals 44 gefördert. Due to the occurring during the rotation of the Coriolis force and acceleration occurring during the Euler force, the liquid is pressed to the left of the Ventilabschnittsteilkapillare 42 nearby wall 25 of the chamber 11 and conveyed emptying of the bypass section channel 44 in this case. Die Bildung einer Seifenhaut bei der Verwendung von Waschpufferlösungen wird verhindert. The formation of a soap film when using washing buffer solutions is prevented. An dem im Verhältnis schmäleren Haupt-Teilkanal 43 des Ventilabschnitts 19 ist eine auftretende Seifenhautbildung unkritisch und nicht störend, da eine Entlüftung des Kanals 13 durch den Bypass-Teilkanal 44 zuverlässig erfolgen kann. At the narrower relative main portion of channel 43 of the valve portion 19 occurring soap skin formation is not critical and non-irritating, since a vent channel 13 through the bypass channel portion can be made 44 reliably. Die Entleerung des Kanals 13 als auch der Durchbruch des Ventilabschnitts 19 ab Erreichen einer vorgegebenen Durchbruchfrequenz (Überschreiten der Durchbruchfrequenz durch die Rotationsfrequenz) erfolgt zunächst über den Bypass-Teilkanal 44, der so gestaltet ist, dass er trotz der Erweiterung seines Flüssigkeitstransportquerschnitts kapillar befüllbar bleibt. The emptying of the channel 13 and the aperture of the valve portion 19 from reaching a predetermined breakdown frequency is (exceeding the breakdown frequency by the rotation frequency) first via the bypass sub-channel 44, which is designed so that it remains capillary filled despite the expansion of its liquid transport section. Der Bypass-Teilkanal 44 ist so konzipiert, dass kein Abriss der Flüssigkeit gegen Ende des Entleerungsvorgangs stattfindet und so eine vollständige Entleerung und damit eine Entlüftung sichergestellt ist. The bypass channel portion 44 is designed so that no demolition of the fluid takes place towards the end of the emptying process and so a complete emptying and venting is ensured. Dadurch kann der siphonartig ausgebildete Heber-Kanal 13 zuverlässig mehrfach genutzt werden. Thus, the siphon trained lifters channel can be used several times reliably. 13
  • Der Haupt-Teilkanal 43 dient auf Grund seiner kammerseitenwandfernen Anordnung als Rückflusssperre von Flüssigkeit aus der Kammer 11. Flüssigkeit, die die Kammerwand 20 benetzt und die aus der Waste-Kammer 12 entlang der Kammerwand 20 in Richtung Ventilabschnitt 19 zurückströmt, wird kapillar in den engeren Haupt-Teilkanal 43 geleitet, der auf Grund seines geringeren Querschnitts eine höhere Kapillarwirkung aufweist als der Bypass-Teilkanal 44. Somit wird durch die vorhandenen Kohäsionskräfte die zurückfließende Flüssigkeit in den engeren Haupt-Teilkanal 43 geleitet und gelangt nicht zu dem Bypass-Teilkanal 44. Er verstopft deshalb nicht und wird am Übergang durch ein Zurückfließen von Flüssigkeiten aus der Kammer geschützt, das insbesondere bei zunehmender Befüllung der Waste-Kammer kritisch sein kann. The main sub-channel 43 serves, due to its chamber side wall distant arrangement as reflux barrier of liquid from the chamber 11, liquid which wets the chamber wall 20 and the flowing back from the waste chamber 12 along the chamber wall 20 towards the valve portion 19 is capillary narrow in the main sub-channel directed 43 having a higher capillary action due to its smaller cross section than the bypass portion of channel 44. Thus, the back-flowing liquid is directed into the narrower main sub-channel 43 by the existing cohesion forces and does not enter to the bypass sub-channel 44th he therefore does not clog and is protected at the transition through a backflow of fluids out of the chamber, which may be especially critical with increasing filling of the waste chamber.
  • Im Stillstand des mikrofluidischen Elements gelangt Flüssigkeit aus der Messkammer 10 auf Grund der Kapillarwirkung in den Kanal 13. Dabei wird zunächst der engere Haupt-Teilkanal 43 relativ schnell befüllt. In standstill of the microfluidic element liquid passes from the measuring chamber 10 due to the capillary action in the channel 13. In this case, the narrower main sub-channel 43 is first filled relatively quickly. Erst anschließend wird der Bypass-Teilkanal 44 befüllt, wobei seine Befüllung langsamer erfolgt als die Befüllung des Haupt-Teilkanals 43. Durch eine geeignete Gestaltung der beiden Teilkanäle 41, 42, insbesondere durch die Aufweitung des Bypass-Teilkanals 44 und Vorgabe des Winkels zwischen den beiden Teilkanälen 41, 42, ist die Befüllung einstellbar, die im Verhältnis der auftretenden Kapillarkräfte erfolgt. Only then is the bypass section channel 44 is filled with its filling is slower than the filling of the main portion of channel 43. Through a suitable design of the two sub-channels 41, 42, in particular by the expansion of the bypass section channel 44 and setting the angle between the two sub-channels 41, 42, the filling can be adjusted, which takes place in proportion to the capillary forces which occur.
  • Sobald das mikrofluidische Element in Drehung versetzt wird, erfolgt zunächst der Durchbruch an dem Bypass-Teilkanal 44. Dies geschieht bereits bei relativ geringen Frequenzen. Once the microfluidic element is set in rotation, is carried out first, the breakdown at the bypass channel portion 44. This is already done at relatively low frequencies. So besteht in biochemischen Analyseprozessen (Assays) die Möglichkeit, die Kammer auch vorsichtig zu entleeren, um beispielsweise Proteinschädigungen zu vermeiden. Thus, in biochemical analysis processes (assays) the ability to empty the chamber also careful to avoid, for example protein damage.
  • Es hat sich gezeigt, dass mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilabschnitt 19 eine robuste Durchführung mehrerer Prozessschritte (Assayschritte) bei Verwendung der gleichen Kapillare bzw. bei der Verwendung des gleichen Kanals 8, 13 erfolgen kann, ohne dass es zu einer Blockade des Kanals kommt. It has been found that with an inventively embodied valve portion 19, a robust implementation of a plurality of process steps (assay steps), using the same capillary, or in the use of the same channel 8, can be made 13 without causing a blockage of the channel. Die Entlüftung der Kapillare (Kanal 8, 13) ist auch über mehrere Prozessschritte, dh über die mehrfache Einleitung von unterschiedlichen Flüssigkeiten, gewährleistet. The venting of the capillary (channel 8, 13) via a plurality of process steps, that is ensured by the multiple introduction of different liquids. Dabei können selbst Lösungen mit einer hohen Detergenz-Konzentration eingesetzt werden, ohne dass eine Seifenhautbildung stattfindet bzw. ohne das Reste der Lösung (Flüssigkeit) zusammenlaufen und ein Wiederbefüllung des Kanals verhindern. In this case, even solutions with a high detergent concentration can be used without a soap film formation takes place or run together without the remains of the solution (liquid) and prevent refilling of the channel.

Claims (16)

  1. Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe mit einem Substrat (34) und einem von dem Substrat (34) und einer Deckschicht umschlossenen mikrofluidischen Leitungssystem (2) mit einer Kanalstruktur (7), The microfluidic element for the analysis of a liquid sample with a substrate (34) and one of said substrate (34) and a cover layer enclosed microfluidic line system (2) having a channel structure (7),
    wobei in which
    - die Kanalstruktur (7) einen Kanal (8, 13) mit zwei Seitenwänden (23) und eine Kammer (9, 11) umfasst, die mit dem Kanal (8, 13) in Fluidverbindung steht, - the channel structure (7) comprises a channel (8, 13) with two side walls (23) and a chamber (9, 11) (8, 13) communicates with the channel in fluid communication,
    - der Kanal (8, 13) einen Kanalabschnitt (18) und einen sich an den Kanalabschnitt (18) anschließenden Ventilabschnitt (19) umfasst, - the channel (8, 13) comprises a channel portion (18) and at the channel portion (18) adjoining the valve portion (19),
    - die Kammer (9, 11) eine Kammerwand (20) mit einer Einlassöffnung (21) hat, - the chamber (9, 11) having a chamber wall (20) with an inlet opening (21),
    - die Einlassöffnung (21) in der Kammerwand (20) derart mit dem Ventilabschnitt (19) in Fluidverbindung steht, dass eine Flüssigkeit aus dem Kanal (8, 13) durch den Ventilabschnitt (19) in die Kammer (9, 11) strömen kann, - the inlet opening (21) in the chamber wall (20) in such a way to the valve portion (19) in fluid communication, that a fluid from the channel (8, 13) by the valve portion (19) in the chamber (9, 11) can flow .
    - der Ventilabschnitt (19) einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Flüssigkeitstransportquerschnitt aufweist, der größer ist als der Flüssigkeitstransportquerschnitt in dem vorhergehenden Kanalabschnitt (18). - the valve portion (19) has an enlarging in flow direction of liquid transport section, which is larger than the liquid transport section in the preceding channel portion (18).
  2. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (22, 26) in dem Ventilabschnitt (19) derart angeordnet sind, dass sich ihr Abstand in Strömungsrichtung zur Einlassöffnung (21) hin so vergrößert, dass der Abstand der Ventilabschnitt-Seitenwände (22, 26) an der Einlassöffnung (21) größer ist als der Abstand der Kanalabschnitt-Seitenwände (22). The microfluidic element according to claim 1, characterized in that the side walls (22, 26) in the valve portion (19) are arranged such that their spacing in the direction of flow to the inlet opening (21) out so enlarged that the distance of the valve portion side walls ( 22, 26) at the inlet opening (21) is greater than the distance of the channel section side walls (22).
  3. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilabschnitt (19) zur Einlassöffnung (21) hin stetig weitet. The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that the valve portion (19) to the inlet opening (21) widens out steadily.
  4. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Seitenwände (22, 26) im Ventilabschnitt (19) an der Einlassöffnung (21) der Kammer (9, 11) wenigstens doppelt so groß ist wie der Abstand der Seitenwände (22) im Kanalabschnitt (18), bevorzugt der Abstand wenigstens dreimal so groß ist, besonders bevorzugt der Abstand wenigstens viermal so groß ist. The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that the distance of the side walls (22, 26) in the valve portion (19) at the inlet opening (21) of the chamber (9, 11) is at least twice as large as the distance between the side walls ( 22) (in the channel section 18), preferably, the distance is at least three times as great, more preferably the distance is at least four times as large.
  5. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilabschnitt (19) eine Länge I hat, die wenigstens das Dreifache des Abstands b der Ventilabschnitt-Seitenwände (26) am Übergang vom Kanalabschnitt zum Ventilabschnitt ist, bevorzugt wenigstens das 5-fache des Abstands und besonders bevorzugt wenigstens das 7-fache des Abstands ist, wobei die Länge I höchstens dem 10-fachen des Abstands entspricht. The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that the valve portion (19) has a length I that is at least three times the distance b of the valve portion side walls (26) at the transition from the channel portion to the valve portion, preferably at least 5 times the distance, and particularly preferably at least 7 times the distance, the length I corresponds to the maximum of 10 times the distance.
  6. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilabschnitt (19) eine konstante Höhe h hat oder eine sich zur Einlassöffnung (21) der Kammer (9, 11) hin vergrößernde Höhe aufweist. The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that the valve portion (19) or a constant height h is a to the inlet opening (21) of the chamber (9, 11) towards enlarging height.
  7. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (9, 11) eine Rampe (30) umfasst, die sich von der Einlassöffnung (21) der Kammerwand (20) derart wegerstreckt, dass sich ihre Höhe mit wachsender Entfernung von der Kammerwand (20) verringert. The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that the chamber (9, 11) comprises a ramp (30) extending from the inlet opening (21) of the chamber wall (20) extends away in such a way that its height with increasing distance from the chamber wall (20) is reduced.
  8. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampe (30) eine Breite aufweist, die größer als die Breite der Einlassöffnung (21) ist, bevorzugt wenigstens 10% größer ist, sehr bevorzugt wenigstens doppelt so groß, besonders bevorzugt wenigstens dreimal so groß ist, und höchstens fünfmal so groß ist. The microfluidic element according to claim 7, characterized in that the ramp (30) has a width which is greater than the width of the inlet opening (21), preferably at least 10% greater, very preferably at least twice, more preferably at least three times as is great, and is more than five times as large.
  9. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that
    - die Kammer (9, 11) eine sich an die Kammerwand (20) anschließende Kammerseitenwand (25) umfasst, - the chamber (9, 11) comprises at the chamber wall (20) adjoining the chamber side wall (25),
    - der Ventilabschnitt (19) derart an der Kammerwand (20) angeordnet ist, dass eine der Ventilabschnitt-Seitenwände (26) so in der Nähe der Kammerseitenwand (25) angeordnet ist, dass der Abstand (27) zwischen ihr und der Kammerseitenwand (25) höchstens gleich der Breite des Kanalabschnitts (18), bevorzugt höchstens gleich der halben Breite des Kanalabschnitts (18) ist und besonders bevorzugt höchstens gleich einem Drittel der Breite des Kanalabschnitts (18) ist. - the valve portion (19) in such a manner on the chamber wall (20) is arranged that one of the valve portion side walls (26) so close to the chamber side wall (25) is arranged such that the distance (27) between it and the chamber side wall (25 ) is at most equal to (the width of the channel portion 18), preferably at most equal to half the width of the channel portion (18) and more preferably (at most equal to one third of the width of the channel portion 18).
  10. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilabschnitt (19) zwischen den beiden Ventilabschnitt-Seitenwänden (26) ein Steg (40) derart angeordnet ist, dass zwei nebeneinander angeordnete Ventilabschnitt-Teilkanäle (41, 42) gebildet werden. The microfluidic element according to one of the preceding claims, characterized in that in the valve portion (19) between the two valve portion side walls (26) a web (40) is arranged such that two adjacently arranged valve-stage partial channels (41, 42) are formed ,
  11. Mikrofluidisches Element nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (40) derart angeordnet ist, dass die beiden Teilkanäle (41, 42) einen Winkel von wenigstens 40 Grad einschließen, bevorzugt einen Winkel von wenigstens 50 Grad, besonders bevorzugt einen Winkel von wenigstens 60 Grad. The microfluidic element according to the preceding claim, characterized in that the web (40) is arranged such that the two partial channels (41, 42) enclose an angle of at least 40 degrees, preferably an angle of at least 50 degrees, more preferably an angle of at least 60 degrees.
  12. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilkanal (41) ein Haupt-Teilkanal (43) ist und der zweite Teilkanal (42) ein Bypass-Teilkanal (44) ist und bevorzugt der Bypass-Teilkanal (44) breiter ist als der Haupt-Teilkanal (43). The microfluidic element according to claim 10 or 11, characterized in that the first part channel (41) is a main-part channel (43) and the second part channel (42) is a bypass sub-channel (44) and preferably the bypass section channel (44) is wider than the main sub-channel (43).
  13. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (22) des Haupt-Teilkanals (43) parallel zueinander verlaufen. The microfluidic element according to claim 12, characterized in that the side walls (22) of the main sub-channel (43) parallel to each other.
  14. Mikrofluidisches Element nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Teilkanal (43) mit dem Kanalabschnitt (18) fluchtet. The microfluidic element according to any one of claims 12 or 13, characterized in that the main sub-channel (43) having the channel portion (18) is aligned.
  15. Mikrofluidisches Element nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass The microfluidic element according to one of claims 12 to 14, characterized in that
    - die Kammer (9, 11) eine sich an die Kammerwand (20) anschließende Kammerseitenwand (25) umfasst, - the chamber (9, 11) comprises at the chamber wall (20) adjoining the chamber side wall (25),
    - der Bypass-Teilkanal (44) des Ventilabschnitts (19) näher an der Kammerseitenwand (25) angeordnet ist als der Haupt-Teilkanal (43) des Ventilabschnitts (19). - the bypass section channel (44) of the valve portion (19) closer to the chamber side wall (25) than the main sub-channel (43) of the valve portion (19).
  16. Mikrofluidisches Element nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Bypass-Teilkanals (44) an einer Bypass-Einlassöffnung (46) der Kammer (9, 11) größer ist als die Höhe des Haupt-Teilkanals (43) an der Einlassöffnung (21) der Kammer (9, 11), wobei bevorzugt die Höhen des Bypass-Teilkanals (44) und des Haupt-Teilkanals (43) an dem Übergang (23) zum Kanalabschnitt (18) gleich sind. The microfluidic element according to one of claims 12 to 15, characterized in that the height of the bypass section channel (44) on a bypass intake port (46) of the chamber (9, 11) is greater than the height of the main part of the channel (43) at the inlet opening (21) of the chamber (9, 11), wherein preferably the height of the bypass part of the channel (44) and the main part of the channel (43) at the transition (23) to the channel portion (18) are equal.
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